中国青年学者一作！最新《自然·通讯》：光驱动光合作用活执行器

软执行器能把多种刺激和能量输入转化为可编程机械运动，相比传统刚性机器人和执行器具有独特顺应性，更接近自然触觉和肌肉运动，在人工肌肉、软夹持器、可穿戴设备和触觉器件等应用中展现出在动态或非结构化环境中更可靠运行的潜力。利用活体生物驱动执行可形成“活体执行器”，从而绕开笨重电源与控制系统或复杂电气系统；活体材料把活细胞纳入结构，细胞既提供功能，又通过从环境获取能量和营养维持自身。然而，活体执行器仍面临长期稳定性差、细胞活力要求严格、可逆性有限和触发条件苛刻等根本挑战；光合微生物在赋予材料光驱动可逆功能方面展现出巨大潜力，且不依赖有机碳源、可利用大气CO₂，并已被用于光合服装、供氧、光电发电、光驱动机械增强或生物矿化等活体材料，但光合执行器仍待探索。

‌代尔夫特理工大学‌Marie-Eve Aubin-Tam课题组提出一种光驱动活体软执行器，将光合微藻莱茵衣藻与pH响应性聚(3-(丙烯酰胺基)苯硼酸-丙烯酰胺)/聚丙烯酰胺双层水凝胶集成。光照下，微藻通过光合作用和氮同化局部电离聚合物网络，使双层执行器弯曲；黑暗中，微藻通过呼吸局部释放CO₂，使聚合物链质子化，从而逆转形变。该藻类执行器可实现精细控制和可逆运动，18小时内达到较大弯曲幅度，初始响应时间为10—20秒，且初始响应时间在连续10个循环中保持；研究还展示了光控夹持器，凸显藻类驱动执行在可持续、自主软器件中的潜力。相关论文以“Light-powered photosynthetic living actuator”为题，发表在Nature Communications上。

研究以双层水凝胶构建光驱动活体执行器：藻细胞固定在pH响应层上，光照下光合作用和氮代谢使局部pH升高，黑暗下呼吸使pH降低，pH响应层的溶胀与收缩带动双层结构可逆弯曲（图1a）；尺寸为20 mm×5 mm×1 mm的执行器在六个操作阶段被记录，暗阶段和光照阶段均显示出可逆形变，弯曲角以尖端切线与竖直方向夹角定义（图1b）。这提示藻细胞代谢产生的局部pH变化可转化为双层弯曲。

图1 | 藻类活体执行器的光驱动驱动与工作机制。

为解释藻细胞如何改变周围环境pH，研究去除Tris缓冲、排除乙酸盐并将氮源改为NaNO₃，在6小时光照/18小时黑暗循环下记录培养物pH，发现可逆波动至少持续14个循环（图2a）；放大曲线显示光照初期pH快速升高、黑暗后回落（图2b）。HCO₃⁻补充过程中CO₃²⁻转化为HCO₃⁻消耗H⁺、硝酸盐同化消耗H⁺，以及暗呼吸释放CO₂导致酸化，被用来解释这种波动（图2c），这为选择在pH 8—11区间响应的水凝胶提供了依据。

图2 | 莱茵衣藻培养物中光依赖的pH波动。

为使水凝胶响应藻细胞产生的pH区间，作者将AAPBA与AAm共聚成pH响应层、以PAAm为非响应层，并让pH响应层部分互穿PAAm层以增强界面粘附；高pH下硼酸基团电离导致活性层溶胀并向PAAm侧弯曲，低pH下氢键作用使活性层收缩并反向弯曲（图3a）。浸泡实验显示双层水凝胶在pH 2—12范围内产生方向与幅度可调的弯曲（图3b），30次酸碱循环中弯曲幅度基本保持（图3c），溶胀比和SEM进一步支持活性层在碱性条件下显著溶胀、两层界面保持整合（图3d-f）。该双层水凝胶随后被用于负载藻细胞。

图3 | P(AAPBA-AAm)/PAAm双层水凝胶的pH响应弯曲性能。

为把微藻整合到水凝胶表面，作者将无藻双层水凝胶浸入莱茵衣藻培养物7个光暗循环，使细胞附着并形成生物膜（图4a）；浸泡后P(AAPBA-AAm)侧比PAAm侧更绿（图4b），共聚焦显微观察显示生物膜随浸泡时间发展且优先定殖于pH响应层（图4c），厚度定量也显示该层生物膜更厚（图4d）。完成表面功能化后，作者测试其光驱动动态响应。

图4 | 藻细胞在pH响应双层水凝胶上的整合与表面定殖。

为验证固定化微藻足以驱动执行器，作者将其浸入无藻新鲜NaNO₃最小培养基，施加3小时光照/15小时黑暗循环：光照诱导弯曲、黑暗触发恢复，而周围环境pH仅小幅波动，表明驱动来自水凝胶内部局部pH变化而非外部介质整体pH变化（图5a、图5b）。10个循环中弯曲角总体保持约−300°（图5c）；缩短为10分钟光照/30分钟黑暗仍可实现可逆弯曲（图5d、图5e），初始形变响应在黑暗中约10秒、光照下约20秒开始（图5f）。DCMU抑制和热失活对照进一步表明响应依赖活藻代谢。基于这种可逆响应，作者制作了演示器。

图5 | 藻类活体执行器的光驱动弯曲。

为展示应用潜力，作者先测量输出力：光照15小时内执行器对测力传感器产生最大0.8±0.2 mN阻塞力（图6a），随后制作四指夹持器抓取18.4 mg金属球并在关光后释放（图6b），钩状执行器抓取52.5 mg橡胶环（附件正文称橡胶带）（图6c），花状执行器在光照下开放、黑暗中闭合（图6d）。这些演示表明该执行器具备抓取、释放和仿花开放等基本功能。

图6 | 藻类执行器的演示。

该工作提出了一种以活体光合生物作为能量换能器的软执行器设计思路，表明单细胞微藻固有的光合和代谢活动可驱动水凝胶中完全可逆的机械驱动。该光驱动系统除光照外无需外部能量输入、复杂机械部件或遗传改造，驱动来自自然光合作用并同时固定大气CO₂；执行器在同一培养介质中连续循环至少2个月后仍保持功能，藻类对温度、盐度和光强变化的内在稳健性有望增强器件韧性，使其适合最终应用于水下机器人、农业自动化装置、芯片实验室流体控制、艺术设计或对活体生物/组织的机械刺激等多样场景。